No centro da maioria das grandes galáxias, incluindo a nossa Via Láctea, fica um buraco negro supermassivo. Gás interestelar cai periodicamente na órbita desses poços sem fundo, mudando o buraco negro para o modo núcleo galáctico ativo (AGN), disparando radiação de alta energia pela galáxia.

Não é um ambiente em que você esperaria que uma planta ou animal prosperasse. Mas em um estudo recente surpreendente no The Astrophysical Journal, pesquisadores de Dartmouth e da Universidade de Exeter mostram que a radiação AGN pode ter um efeito paradoxalmente nutritivo na vida. Em vez de condenar uma espécie ao esquecimento, ela pode ajudar a garantir seu sucesso.

O estudo pode ser o primeiro a medir concretamente, por meio de simulações de computador, como a radiação ultravioleta de um AGN pode transformar a atmosfera de um planeta para ajudar ou atrapalhar a vida. Consistente com estudos que analisam os efeitos da radiação solar, os pesquisadores descobriram que os benefícios — ou danos — dependem de quão perto o planeta está da fonte da radiação e se a vida já ganhou um ponto de apoio.

"Uma vez que a vida existe e oxigenou a atmosfera, a radiação se torna menos devastadora e possivelmente até uma coisa boa", diz Kendall Sippy, o principal autor do estudo. "Uma vez que essa ponte é cruzada, o planeta se torna mais resiliente à radiação UV e protegido de potenciais eventos de extinção."

Os pesquisadores simularam os efeitos da radiação AGN não apenas na Terra, mas em planetas semelhantes à Terra de composição atmosférica variada. Se o oxigênio já estivesse presente, eles descobriram, a radiação desencadearia reações químicas, fazendo com que a camada protetora de ozônio do planeta crescesse. Quanto mais oxigenada a atmosfera, maior o efeito.

A luz de alta energia reage prontamente com o oxigênio, dividindo a molécula em átomos únicos que se recombinam para formar ozônio. À medida que o O 3 se acumula na atmosfera superior, ele desvia mais e mais radiação perigosa de volta para o espaço. A Terra deve seu clima favorável a um processo semelhante que aconteceu há cerca de dois bilhões de anos com os primeiros micróbios produtores de oxigênio.

A radiação do sol ajudou a vida incipiente da Terra a oxigenar e adicionar ozônio à atmosfera. À medida que o manto protetor de ozônio do nosso planeta engrossava, isso permitiu que a vida florescesse, produzindo mais oxigênio e ainda mais ozônio. Sob a hipótese de Gaia, esses ciclos de feedback benéficos permitiram que a vida complexa emergisse.

"Se a vida pode oxigenar rapidamente a atmosfera de um planeta, o ozônio pode ajudar a regular a atmosfera para favorecer as condições de que a vida precisa para crescer", diz o coautor do estudo Jake Eager-Nash, que atualmente é um pós-doutorado na Universidade de Victoria. "Sem um mecanismo de feedback regulador do clima, a vida pode morrer rapidamente."

A Terra, na vida real, não está perto o suficiente de seu buraco negro residente, Sagittarius A, para sentir seus efeitos, mesmo no modo AGN. Mas os pesquisadores queriam ver o que poderia acontecer se a Terra estivesse muito mais perto de um AGN hipotético e, portanto, exposta a uma radiação bilhões de vezes maior.

Recriando a atmosfera livre de oxigênio da Terra no Arqueano, eles descobriram que a radiação praticamente impediria o desenvolvimento da vida. Mas, à medida que os níveis de oxigênio aumentavam, se aproximando dos níveis modernos, a camada de ozônio da Terra cresceria e protegeria o solo abaixo da radiação perigosa.

"Com os níveis modernos de oxigênio, isso levaria alguns dias, o que, esperançosamente, significaria que a vida poderia sobreviver", diz Eager-Nash. "Ficamos surpresos com a rapidez com que os níveis de ozônio responderiam."

Quando eles observaram o que poderia acontecer em um planeta parecido com a Terra em uma galáxia mais velha, com estrelas aglomeradas mais perto de seu AGN, eles encontraram um quadro muito diferente. Em uma galáxia "red nugget relic" como NGC 1277, os efeitos seriam letais. Estrelas em galáxias mais massivas com uma forma elíptica, como Messier-87, ou nossa espiral Via Láctea, estão mais espalhadas e, portanto, mais longe da radiação perigosa de um AGN.

Sippy chegou a Dartmouth com um grande interesse em buracos negros e, no final do segundo período, havia se juntado ao laboratório de Ryan Hickox, professor e chefe do Departamento de Física e Astronomia. Mais tarde, enquanto debatia um potencial projeto sênior sobre radiação AGN, o destino interveio.

Indo para a Inglaterra para um ano sabático em 2023, Hickox reservou uma viagem no Queen Mary 2 para que pudesse levar seu cachorro, Benjamin. A bordo do navio, ele começou a conversar com um astrofísico de Exeter, Nathan Mayne, que era um palestrante convidado no navio. Eles rapidamente perceberam que tinham um interesse mútuo em radiação, e que o software PALEO que Mayne estava usando para modelar a radiação solar em atmosferas de exoplanetas poderia ser aplicado aos raios mais poderosos de um AGN.

O encontro abriria caminho para Sippy trabalhar com Eager-Nash, então um estudante de doutorado no laboratório de Mayne. Usando a linguagem de programação Julia, eles inseriram em seu modelo as concentrações iniciais de oxigênio e outros gases atmosféricos em seu planeta semelhante à Terra.

O ciclo de feedback que eles descobriram em uma atmosfera oxigenada foi inesperado.

"Nossos colaboradores não trabalham com radiação de buracos negros, então eles não estavam familiarizados com o espectro de um buraco negro e com o quão mais brilhante um AGN poderia ser do que uma estrela, dependendo de quão perto você estivesse dele", diz Hickox.

Sem o kismet que uniu os dois laboratórios, o projeto talvez nunca tivesse acontecido.

"É o tipo de insight que você só consegue obter combinando diferentes conjuntos de conhecimentos", acrescenta.

Depois de se formar em Dartmouth, Sippy foi para o Middlebury College para trabalhar como pesquisador de pós-graduação no laboratório de McKinley Brumback, Guarini Ph.D. Brumback trabalhou no laboratório de Hickox como aluno de doutorado e agora é professor assistente de física em Middlebury, estudando binários de raios X de estrelas de nêutrons em acreção.

Ela trouxe uma perspectiva única para o projeto. Nas binárias de raios X que ela estuda, uma estrela de nêutrons puxa matéria de uma estrela normal, fazendo com que o material em queda se aqueça e emita raios X.

Enquanto um AGN pode levar até milhões de anos para alternar entre estados ativos e inativos, binários de raios X podem mudar em meros dias ou meses. "Muita da mesma física que se aplica a AGNs se aplica a binários de raios X, mas as escalas de tempo são muito mais rápidas do que para um AGN", ela diz.

Brumback contribuiu para a análise da AGN e atuou como uma "leitora ligeiramente distante" para garantir que o artigo fosse acessível a não especialistas, diz ela.

"Graças à excelente escrita de Kendall, definitivamente foi."